بخشی از مقاله
چکیده
پوست کوسه به دلیل ویژگیهای خاص هیدرودینامیکی خود، توجه محققان حوزهی بیومیمتیک را به خود جلب کرده است. پوست این نوع حیوان به عنوان زبری سطح با انتقال ناحیه لگاریتمی سرعت به اندازهی ∆ به سمت بدنهی جسم متقارن محوری زیر آب موجب کوچک شدن ناحیهی زیر لایه لزج میشود که عامل اصلی ایجاد پسای اصطکاکی است. ∆ تابع زبری نامیده شده و تنها برای زبریهای سنگ دانهای، نوع k و نوع d دارای روابط تئوری است و برای سایر زبریها نیازمند شبیهسازی عددی میباشد. در پژوهش حاضر به شبیهسازی پوست کوسه روی بدنهی یک جسم متقارن محوری استاندارد و تأثیرات آن بر نیروی درگ پرداخته شده است. در این پژوهش، تأثیرات پوست کوسه مورد مطالعه قرار گرفته و 5 نوع آرایش از ریبلتهای پوست کوسهای شکل بر روی بدنهی جسم متقارن محوری بررسی شده تا میزان تأثیر آرایش ریبلتها بر کاهش نیروی درگ مشخص گردد.
برای حصول اطمینان از صحت روند حل عددی، استقلال حل از شبکه محاسباتی بررسی شده و جریان توربولانسی اطراف هندسه شبکهبندی شده به کمک هریک از مدلهای k-e و k-w حل گردیده است. برای رسیدن به دقت قابل قبول شبکهبندی مورد استفاده در مدل k-w ریزتر از مدل دیگر انتخاب شده است. نتایج نشان میدهند که با افزایش تعداد ردیفهای خطی از پوست کوسه بر روی بدنه، همواره روند نزولی در مقدار ضریب درگ دیده نمیشود زیرا با افزایش ردیفهای خطی پوست کوسه، درگ اصطکاکی مرتبا کاهش یافته و درگ شکلی - فشاری - همواره در حال افزایش میباشد. به همین علت تنها در یک آرایش خاص از ردیفهای خطی، بیشترین درصد کاهش درگ مشاهده شده است.
کلمات کلیدی: پوست کوسه، آرایش ریبلتها، جسم متقارن محوری، مدلهای توربولانسی، کاهش درگ
-1 مقدمه
در حوزهی تأثیرات زبریها بر جریان، تنها برای زبریهایی به شکل دانه سنگی3 روابط تحلیلی یا نیمه تحلیلی ارائه شده است و محققان برای سایر انواع زبری به حل عددی رجوع میکنند. در سال 2005 لی و همکاران[1] به مقایسهی جریان حول استوانههای شیشهای صاف و ریبلتدار پرداختند. نتایج حاکی از آن است که تنها در اعداد رینولدزی خاص درگ سطح زبر از درگ سطح صاف کمتر میباشد. تیان و همکاران[2] در سال 2007 بزرگی مقدار سرعتها، بزرگی مقدار گردابهها و اندازه ضخامت لایه مرزی را برای هندسهای مدل با ریبلتهای محدب و مقعر شکل و یک مدل صاف با هم مقایسه کردهاند.
آنها ازمدل آشفتگی نیمه تجربی k- که بر اساس معادلات انتقالی انرژی جنبشی توربولانس - - k و نرخ استهلاک آن - - میباشد بهره گرفتهاند. نتایج نشان داد که سطح ناصاف در مقایسه با سطح صاف در شرایط جریان هوا با سرعت پایین بر روی جسم مدور، میتواند نیروی درگ را کاهش دهد. در سال 2010 ژانگ و همکاران[3] به شبیهسازی جریان بین یک صفحه صاف و یک صفحه زبر با ریبلتهایی به شکل پوست کوسه پرداختند. در این پژوهش پارمتر هایی همچون تنش برشی، سرعت، شدت توربولانس و کاهش درگ مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج بیانگر پایینتر بودن تنش برشی کل بر روی سطح با پوست کوسه نسبت به سطح صاف بوده است و این کاهش نیروی درگ در پوست کوسه را نشان میدهد.
در سال 2011 فوس[4] به بررسی اثر هشت نوع زبری بر ضریب درگ سطح پرداخت. او با تعریف معیاری به عنوان میزان زبر بودن سطح نتیجه گرفت که سطوحی با برخی مشخصهها - برآمدگیهای فاصلهدار از یکدیگر - ، در هیچ رینولدزی درگ را کاهش نمیدهند. برخی سطوح در بازه کوچکی از اعداد رینولدز ضریب درگ را اندکی کاهش داده و سطوح با مشخصه هایی خاص - برآمدگیهای نزدیک به هم - در بازه وسیعی از اعداد رینولدز ضریب درگ را به شدت کاهش میدهند. در پژوهش حاضر به کمک حل عددی با نرم افزار ANSYS FLUENT شبیهسازی تأثیرات ریبلتهایی به شکل پوست کوسه بر روی بدنه جسم متقارن محوری صورت پذیرفته و آرایش بهینه از ریبلتها معین گشته است.
-2معادلات حاکم
معادلات حاکم بر حرکت جسم متقارن محوری عبارتند از: معادلهی پیوستگی و معادلات مومنتوم در راستای محورهای مختصات کارتزین که در روابط - 1 - تا - 4 - ارائه شدهاند - با اعمال قوانین میانگینگیری - . ترمهای پرایم دار، ترمهای نوسانی میباشند.به منظور یافتن تنشهای رینولدز و به دلیل پیچیدگی هندسهی مورد مطالعه از معادلات k-e و k-w استفاده شده است. برای ب ستن معادلات آ شفتگی، برا ساس نوع جریان، یک در صد معین را به شدت آ شفتگی اخت صاص میدهند. جریانهایی از سیال مانند جریانهای خارجی اطراف اتوموبیلها، جسمهای متقارن محوری زیر آب، شاتلهای فضایی و البته تونلهای باد با کیفیت عالی جزو جریانهای با آشفتگی پایین قلمداد می شوند و برای شدت آشفتگی درصد زیر واحد اعمال میگردد. در کنار شدت آ شفتگی، تخ صیص یک پارمتر آ شفتگی دیگر نیز به همگرایی حل کمک شایانی مینماید. ن سبت لزجت گردابهای به لزجت مولکولی برای جر یان های خارجی - معمولا م قداری بین 1 تا - 10 و قطر ه یدرولیکی و مق یاس طول آشفتگی - به عنوان کمیتهایی فیزیکی وابسته به اندازه گردابههای بزرگ دارای انرژی در جریان آشفته - برای جریانهای داخلی از جملهی این پارامترها هستند.[5]
-3شبیهسازی عددی
در این بخش به نحوهی رسم هندسه، شبکهبندی، دامنهی محاسباتی و شرایط مرزی و تظیمات حل عددی پرداخته خواهد شد.
-1-3هندسه
بدنهای که انتخاب شده است، مدل بدنه استاندارد 4DREA از موسسه توسعه و تحقیقات دفاعی کانادا میباشد. طول این بدنه 6 متر و عرض آن 0/686 متر است. هندسه این جسم متقارن محوری از سه ناحیه ت شکیل می شود که معادله نواحی مختلف در زیر ارائه شده است - L طول جسم متقارن محوری و d قطر آن میباشد - :با در نظر گرفتن یک نمونهی واقعی از پوست کوسه و چیدن آنها در ردیفهای خطی - در هر ردیف خطی20 تا با فاصلهی - 12cm با فاصلههای زاویهای متفاوت 90° - ،45°،22/5 °و - 11/25° از یکدیگر، نمونههای الف تا د از شکل 2 حاصل خواهد شد. هندسهی پوست با نرم افزار [6] SolidWorks رسم و بر روی بدنهی جسم متقارن محوری سوار5 شده است.
